Chƣơng 5: THÍ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG
THIẾT BỊ
5.1. Thí nghiệm khơ
5.1.1. Thiết lập hệ thí nghiệm
Tổng thể hệ thí nghiệm khơ đƣợc thể hiện trong hình 5.1 dƣới đây. (1) Khung chính của hệ thí nghiệm, Phao (3) truyền chuyển động đến hộp số (5) nhờ vào Cần (2). Dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến (4) truyền về bàn điều khiển (6)
2 1
3
4 5 6
Hình 5.1: Tổng thể thiết lập hệ thí nghiêm khơ.
(1) Khung chính; (2) Cần; (3) Phao; (4) Cảm biến đo mực nƣớc; (5) Hộp số; (6) Bàn điều khiển
56 Module đọc giá trị vận tốc Module đọc giá trị mô men Cảm biến đo biên độ giao động phao Biểu đồ và số liệu giá trị vận tốc Biểu đồ và số liệu biên độ dao động phao Biểu đồ và số liệu giá trị mơ
men (Vịng/phút) (mm) (N.m) Volt Cảm biến đo mơ men (mA) (mA) PCI 1711 Máy tính Volt Volt Volt Simulink Cảm biến đo vận tốc Tín hiệu điện áp 0 10 (V) Biên độ giao động phao (mm) Tốc độ quay (v/ph) Tín hiệu Analog 4 20 (mA) Mơ-men (N.m)
Hình 5.2: Sơ đồ khối kết nối các thiết bị đo trên hệ thí nghiệm.
Khi sóng tác động lên phao, dây cáp nối từ phao tới cơ hệ làm quay bánh đà, quả nặng gắn trên bắt đầu giao động trong khi đó thiết bị đo moment và vận tốc cũng nhận đƣợc tính hiệu từ bánh đà truyền tới thơng qua khớp nối mềm, cảm biến vận tốc, moment và cảm biến vị trí phao đồng thời nhận đƣợc tín hiệu thơng qua cơ hệ.
Cảm biến đo vận tốc và moment khi nhận đƣợc tính hiệu sẽ trả về tín hiệu analog (với tín hiệu dòng trong khoảng 4-20 mA) về cho module của từng loại. Các module này sẽ xử lý tín hiệu nhận vào và trả về tín hiệu analog trong khoảng từ 0 - 10v để card PCI 1711 có thể nhận đƣợc tín hiệu.
Đối với cảm biến đo vị trí, thiết bị này sẽ đƣa ra giá trị điện áp tƣơng ứng (từ 0-10 V) với ứng với từng biên độ giao động của quả nặng. Tín hiệu analog vừa thu đƣợc sẽ gửi về card PCI 1711 để xử lý.
Card PCI 1711 đƣợc nhúng vào Simulink và chạy ở chế độ real time, khi card PCI 1711 nhận đƣợc tín hiệu đồng thời của cả 3 cảm biến, dữ liệu analog đƣợc gửi về sẽ đƣợc chuẩn hóa theo từng đơn vị đo lƣờng khác nhau: Đối với tín hiệu vận tốc ta sẽ chuẩn hóa tín hiệu điện áp thành vịng/phút, tín hiệu moment sẽ chuẩn hóa thành N.m và cuối cùng tín hiệu vị trí sẽ đƣợc chuẩn hóa về mm.
57
Sau khi đã hồn tất q trình trên, ta tiến hành lƣu trữ dữ liệu vừa thu đƣợc, trong khi đó cũng đơng thời biểu thị các giá trên thành biểu đồ để quan sát và đánh giá, kiểm tra.
Hình 5.3: Thiết bị đo tốc độ và tạo momen
(1) Bánh đà; (2) Cảm biến đo momen và vận tốc; (3) Tạo momen
Hệ thống cảm biến đo vận tốc và momen đƣợc lắp đặt nhƣ hình 5.3 Do hệ quay với tải bằng 0 nên không sinh ra momen, thiết bị tạo momen (3) cấp tải vào làm cho trục sinh ra momen và cảm biến (2) thu dữ liệu momen và vận tốc của trục bánh đà (1)
1
2
3
Hình 5.4: Thiết bị đo biên độ dao động của phao.
58
Biên độ dao động của phao tƣơng ứng với biên độ dao động của đối trọng (3) nên cảm biến dạng dây kéo (1) ở hình 5.4 phần thân gắn với khung, đầu dây còn lại gắn với đối trọng để đo biên độ dao động của đối trọng (3)
1 2
3
Hình 5.5: Giả lập chuyển động của phao bằng thủ công
(1) Giải lập chuyển động của phao; (2) Dây cáp; (3) Xích
Giả lập chuyển động của phao với biên độ dao động tối đa là 150mm bằng sức ngƣời kéo (1) trong hình 5.5, chuyển động kéo lên xuống tƣơng tự nhƣ chuyển động của phao. Giả lập chuyển động của phao (1) chuyển chuyển động đến dây cáp (2) và xích (3) làm quay hộp số.
59
5.1.2. Kết quả thí nghiệm
60 Nhận xét:
Momen và tốc độ ở trục hộp số chịu ảnh hƣởng của tải. Khi tải tăng thì momen của máy phát tăng và tốc độ giảm.
Đối với trƣờng hợp khơng có tải, biên độ dao động của phao đạt giá trị lớn nhất, dẫn đến tốc độ của trục hộp số là lớn nhất, khi đó cơng suất thu đƣợc bằng 0 do khơng có momen.
Khi tăng tải lên tối đa thì biên độ dao động của phao là thấp nhất, dẫn đến vận tốc của phao là thấp nhất và momen đạt giá trị cao nhất.
Hệ thống thu thập dữ liệu thể hiện thiết bị đáp ứng tốt với điều kiện hoạt động đề ra
61
5.2. Thí nghiệm tại hồ tạo sóng 5.2.1. Thiết lập hệ thí nghiệm 5.2.1. Thiết lập hệ thí nghiệm
1 2 3
62
1
2
3
Hình 5.8: Mơ hình thực tế hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng
Hệ thí nghiệm trên hồ tạo sóng đƣợc trình bày trên hình 5.7 và hình 5.8 gồm có 3 phần: (1) Thiết bị tạo sóng; (2) Thiết bị tƣơng tác; (3) Bộ phận chuyển đổi PTO. Thiết bị tạo sóng (1) tạo ra sóng với biên độ và tần số theo u cầu ban đầu, sóng hình thành và tác động vào thiết bị tƣơng tác (2) làm chuyển động lên xuống, kéo theo bộ phận chuyển đổi PTO hoạt động nhờ biến đổi chuyển động 2 chiều của phao thành chuyển động 1 chiều quay của máy phát trong bộ phận PTO.
63
Min: ~750mm
Max: ~1000mm
Hình 5.9: Sóng thí nghiệm tại hồ
Hình 5.9 cho thấy vị trí cao nhất của sóng thử nghiệm là 1m, vị trí thấp nhất là 0,75m tại độ sâu 1m. Bảng 5.1 trình bày các thơng số của sóng thí nghiệm
Thơng số Ký hiệu Giá trị
Tần số góc (rad/s) 5,03
Độ cao sóng (m) 0,25
Chiều sâu (m) h 1
Bảng 5.1: Thơng số sóng thí nghiệm tại hồ
Quá trình thiết lập các thiết bị đo đạc lấy tín hiệu tƣơng tự nhƣ hình 5.1, hình 5.2, hình 5.3 và hình 5.4.
64 5.2.2. Kết quả thí nghiệm 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tốc đ ộ (v/ph ) Thời gian (s)
Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 M om e n t (N m )
Không tải Tải 1 Tải 2 Tải 3
-20 0 20 40 60 80 100 120 V ị tr í p hao (m m )
Khơng tải Tải 1 Tải 2 Tải 3
65 Nhận xét:
Mômen và tốc độ ở trục hộp số chịu ảnh hƣởng của tải. Khi tải tăng thì momen của máy phát tăng và tốc độ giảm.
Đối với trƣờng hợp khơng có tải, biên độ dao động của phao đạt giá trị lớn nhất tại 115 mm, dẫn đến tốc độ của trục hộp số là lớn nhất tại 95 v/p, khi đó cơng suất thu đƣợc bằng 0 do khơng có momen.
Khi tăng tải lên tối đa thì biên độ dao động của phao là thấp nhất tại 10 mm, dẫn đến tốc độ của trục hộp số là thấp nhất tại 25 v/p và momen đạt giá trị cao nhất 1,7 Nm.
Trƣờng hợp tăng tải lên có vị trí biên độ dao động của phao lớn nhất là 50 mm, tốc độ của trục hộp số lớn nhất là 80 v/p và momen đạt giá trị cao nhất 1,2 Nm.
Khi đó hệ sinh ra cơng suất tối đa:
66
5.3. Thực nghiệm trên biển 5.3.1. Thiết lập hệ thí nghiệm Giới hạn mức nước biển cho phép Mặt bích trịn chống lún Khung đóng cố định xuống cát Hình 5.11a: Lắp đặt phần khung
Kết cấu cơ khí của hệ thí nghiệm lắp đặt thử nghiệm ngồi biển đƣợc thể hiện trong hình 5.11a. Cố định hệ thí nghiệm bằng cách đóng khung xuống cát với độ sâu 0,5~1m và có thêm mặt bích trịn chống lún để khi đóng khung khơng thể xuống tới vị trí tối đa (1m) thì ép sát mặt bích xuống và khố lại. Sau đó lắp ráp các phần khác của hệ thí nghiệm lên nhƣ hình.
67
Hình 5.11b: Lắp đặt hệ thống điện
Sau khi hoàn thành lắp ráp phần cơ khí (hình 5.11a) thì hệ thống điện dùng để thu thập dữ liệu đƣợc lắp lên nhƣ trên hình 5.11b.
Thơng số Ký hiệu Giá trị Độ cao sóng (m) 0,3 – 0,5
Chiều sâu (m) h 1
68
Mức nước biển vượt quá giới hạn cho phép
Hình 5.12: Mức nƣớc biển vƣợt giới hạn cho phép
Q trình thí nghiệm trên biển gặp sự cố do mức nƣớc biển dâng cao vƣợt mức khảo sát trƣớc đó dẫn đến thiết bị đo gặp sự cố chƣa thể hiện đƣợc kết quả thực nghiệm.
69
Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT
TRIỂN
6.1. Kết luận
Luận văn này nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công thiết bị thu hồi năng lƣợng sóng biển. Sau khi tìm hiểu tổng quan và khảo sát điều kiện thực tế, ý tƣởng thiết kế đã đƣợc đề xuất. Một chƣơng trình mơ phỏng hoạt động của thiết bị đã đƣợc xây dựng trên Matlab/Simulink. Dựa vào kết quả tính tốn các thơng số, thiết bị đã đƣợc chế tạo và thử nghiệm thành công trên cạn cũng nhƣ hồ tạo sóng biển. Hệ thống đo dữ liệu đƣợc triển khai để thu thập kết quả thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm của thiết bị thu hồi năng lƣợng đã thu hồi đƣợc cơng suất cao nhất ở chiều cao sóng 250mm là 10,05W.
6.2. Kiến nghị
Dù kết quả nghiên cứu ban đầu đã đạt đƣợc một số thành quả nhất định. Việc triển khai hệ thống trên môi trƣờng biển còn tồn tại một số vấn đề cải tiến để ứng dụng vào thực tế nhƣ: phân tích ảnh hƣởng của sóng và thuỷ triều đến độ ổn định của thiết bị, tính tốn lại thông số thiết bị để tối ƣu hóa hiệu suất hoặc kết hợp nhiều phao lại để nâng cao công suất thiết bị.
70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đông Anh, Nguyễn Văn Hải. Nghiên cứu và thử nhiệm thiết bị phát điện từ năng lƣợng sóng biển. Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Biển, Tập 17, Số 1, 2017.
[2] ThS. Phùng Văn Ngọc, GS.TS Nguyễn Thế Mịch, TS. Lê Vĩnh, ThS. Đoàn Thị Vân. Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển thành năng lƣợng điện dạng phao nổi. Tạp chí Khoa học và công nghệ thủy lợi, số 21, 2014.
[3] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba. Khảo sát và tính tốn một số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng biển. Tạp chí Khoa học kỹ thuật
thủy lợi và môi trường, số 41 (6/2013).
[4] Tống Đức Năng, Lê Hồng Chƣơng. Nghiên cứu thiết bị chuyển đổi năng lƣợng sóng đặt ven bờ. Tạp chí Khoa học và cơng nghệ xây dựng, số 4, 2017.
[5] Bùi Đăng Linh, Nguyễn Hoàng Quốc Việt, Huỳnh Châu Duy. Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi năng lƣợng sóng biển thành năng lƣợng điện - Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghệ TP. HCM, Trường ĐH Bách khoa TP. HCM.
[6] Manhar R. Dhanak, Florida Atlantic University, Boca Raton, USA Nikolas I. Xiros, New Orleans, USA, Handbook of Ocean Wave Energy, 27-40.
[7] Tedd, J. Testing, Analysis and Control of Wave Dragon, Wave Energy Converter, Phd thesis, Aalborg University, 2007.
[8] Năng lƣợng sóng biển có thể cho hiệu năng gấp 100 lần năng lƣợng mặt trời. Internet: http://khoaddt.tdc.edu.vn/?p=2507, 09/03/2021.
[9] Năng lƣợng sóng:
https://vi.wikipedia.org/wiki/N%C4%83ng_l%C6%B0%E1%BB%A3ng_s%C3%B 3ng, 09/03/2021.
[10] PGS. TS. NGƢT Phạm Văn Huấn. Sóng biển. Thƣ viện Học liệu mở Việt Nam, tr. 1-3.
71
[11] Phùng Văn Ngọc, Nguyễn Thế Mịch, Đặng Thế Ba. Khảo sát và tính tốn một
số đặc tính của thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển. Khoa học kỹ thuật thủy
lợi và môi trƣờng - số 41 (6/2013).
[12] Falnes, J. Ocean Waves and Oscillating Systems, Linear Interaction Including
Wave-Energy Extraction, Cambridge University, 2002.
[13] Silvia Bozzi, Adrià Moreno Miquel, Alessandro Antonini and Giuseppe Passoni. Modeling of a Point Absorber for Energy Conversion in Italian Seas.
Energies, 2013, 3033-3051.
[14] M. Eriksson, Jan Isberg and Mats Leijon. Hydrodynamic modelling of a direct
drive wave energy converter. International Journal of Engineering Science, 2005,
1377–1387.
[15] Michael E. McCormick. Ocean Wave Energy Conversion. Dover Publications, 2013.
1
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ THU HỒI NĂNG LƢỢNG SĨNG BIỂN
RESEARCH AND DESIGN OF MARINE ENERGY RECOVERY MECHANICAL EQUIPMENT
Trần Ngọc Thủy
Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
TĨM TẮT: Luận văn đề xuất thiết kế mới chuyển đổi năng lƣợng sóng thành năng lƣợng điện. Nhờ vào tƣơng tác giữa sóng biển và phao, cụm tƣơng tác đƣợc dẫn động để hấp thu năng lƣợng sóng bằng cách biến đổi chuyển động lên xuống của phao thành chuyển động quay một chiều của máy phát điện. Trƣớc tiên, ý tƣởng thiết kế đƣợc đề xuất bao gồm hệ thống bao gồm phao và bộ chuyển đổi năng lƣợng. Tiếp theo là phân tích thủy động học của cơ hệ đƣợc thực hiện. Sau đó, chƣơng trình mơ phỏng hoạt động của thiết bị đƣợc thực hiện trên chƣơng trình Matlab/Simulink. Cuối cùng, thiết bị đƣợc thiết kế và chế tạo để thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị làm việc nhịp nhàng với hiệu suất cao.
Từ khóa: Thiết bị chuyển đổi năng lượng; năng lượng điện; năng lượng sóng.
ABSTRACT: This study presents an innovative design for a wave energy converter (WEC). Based on the interaction between the sea wave and the floating buoy, the power take-off (PTO) is actuated to absorb wave energy by converting the bidirectional motion of the floating buoy into the one-way rotation of an electric generator. Firstly, a new conceptual design of the WEC included the floating buoy and PTO is proposed. The hydrodynamic forces are presented and the performance of the WEC are simulated in the Matlab/Simulink environment. Finally, a test rig of the proposed WEC is fabricated to do experiment. Experimental results indicate that the proposed device can work smoothly in high efficiency.
Keyswords: Energy conversion devices; electrical energy; wave energy
Nhận ngày 10/5/2021, sửa xong 23/5/2021 Received: May 10, 2021; revised: May 23, 2021
1
1. Đặt vấn đề
Việc sử dụng rộng rãi điện giá cả phải chăng chuyển đổi từ sóng biển sẽ là một thành tựu tuyệt vời. Bên cạnh đó chuyển đổi năng lƣợng sóng (WEC - Wave energy converting)[1] công nghệ sẽ đặc biệt thú vị, nó cũng sẽ có một vài lợi ích đáng kể cho xã hội. Đây là một nguồn năng lƣợng bền vững và vơ tận khác, có thể đáng kể góp phần vào hỗn hợp năng lƣợng tái tạo. Nói chung, tăng số lƣợng và sự đa dạng của hỗn hợp năng lƣợng tái tạo rất có lợi vì nó làm tăng sẵn có và giảm nhu cầu nhiên liệu hóa thạch. Điện từ năng lƣợng sóng sẽ giúp các quốc gia tự cung cấp năng lƣợng nhiều hơn và do đó ít phụ thuộc vào nhập khẩu năng lƣợng từ các quốc gia khác (lƣu ý: dầu là thƣờng đƣợc nhập khẩu từ các nƣớc khơng ổn định về chính trị). Nó sẽ góp phần tạo ra một lĩnh vực mới chứa đựng, đổi mới và việc làm. Điện từ sóng biển có thể đƣợc sản xuất ngồi khơi, do đó khơng địi hỏi đất đai cũng khơng có tác động thị giác đáng kể. Khi nhu cầu năng lƣợng thế giới sẽ tiếp tục tăng trong khi dự trữ nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, năng lƣợng sóng sẽ trở nên quan trọng. Nhu cầu về Nó sẽ bắt đầu khi giá điện của nó sẽ đúng và sau đó sẽ chỉ tăng với thời gian. Đây chính là thách lớn đối với hầu hết các quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Có nhu cầu lớn về năng lƣợng tái tạo và nhu cầu đa dạng hóa năng lƣợng tái tạo hỗn hợp năng lƣợng. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy về sự gia tăng đáng kể hàng năm trên toàn cầu đầu tƣ vào năng lƣợng tái tạo, nhƣ gió và mặt trời. Năng lƣợng sóng thậm chí đã đƣợc thêm vào đó đƣợc kích thích ở một số nƣớc khi họ nhận ra lợi ích và tuyệt vời của nó tiềm năng. Sự thúc đẩy cơng nghệ chủ yếu đến dƣới hình thức tài trợ công và vốn đầu tƣ vào phát triển công nghệ, trong khi thị trƣờng kéo qua thị trƣờng công cộng ƣu đãi, chẳng hạn nhƣ hỗ trợ doanh thu. Điều này chỉ ra rằng khả năng sử dụng và mong muốn hiện đang rất tích cực. Một số lƣợng lớn các công nghệ năng lƣợng sóng đã đƣợc phát triển qua 25 năm. Để đƣa ra một chỉ dẫn ở đây, danh sách năng lƣợng sóng
hiện tại nhà phát triển tại trung tâm năng lƣợng biển Châu âu EMEC (European marine energy center) tính 256 nhà phát triển. Các nguyên tắc làm việc của hầu hết những cơng nghệ này có thể đƣợc nhóm lại thành một số ít các loại